(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
順番に積み重ねられた第１電極層および複数の第１積層を含み、前記各第１積層が、前記第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および前記第１導電層と前記第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含む第１素子基板と、
順番に積み重ねられた第２電極層および複数の第２積層を含み、且つ前記第１素子基板の反対側に構成され、前記各第２積層が、前記第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および前記第２導電層と前記第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含む第２素子基板と、
前記第１素子基板と前記第２素子基板の間に配置され、且つ前記第１開口と前記第２開口の中に構成された液晶層と
を備えた液晶光学レンズ。
【請求項２】
前記各第１積層の前記第１開口の幅が、前記第１素子基板から離れるにつれて大きくなり、前記各第２積層の前記第２開口の幅が、前記第２素子基板から離れるにつれて大きくなる請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項３】
前記第１積層の前記第１開口が、それぞれ前記第２積層の前記第２開口に対応する請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項４】
前記第１積層の前記第１開口および前記第２積層の前記第２開口が、円形の開口である請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項５】
第１配向方向を有するとともに、前記第１素子基板の上に配置されて、前記第１電極層および前記各第１積層の前記第１導電層を覆う第１配向層と、
第２配向方向を有するとともに、前記第２素子基板の上に配置されて、前記第２電極層および前記各第２積層の前記第２導電層を覆う第２配向層と
をさらに備えた請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項６】
前記第１配向方向が、前記第２配向方向に対して実質的に垂直である請求項２記載の液晶光学レンズ。
【請求項７】
前記第１配向層と前記第２配向層の間に配置され、前記第１素子基板と前記第２素子基板をシールするシーラントをさらに備えた請求項２記載の液晶光学レンズ。
【請求項８】
前記第１電極層および前記各第１積層の前記第１導電層が、第１電位に電気接続されるとともに、前記第２電極層および前記各第２積層の前記第２導電層が、第２電位に電気接続され、前記第１電位と前記第２電位が異なる請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項９】
前記第１電極層および前記第２電極層が、第１駆動信号源によって駆動され、前記各第１積層の前記第１導電層および対応する前記各第２積層の前記第２導電層が、第２駆動信号源によって駆動される請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項１０】
前記液晶層の材料が、ポリマーネットワーク液晶（ＰＮＬＣ）を含む請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項１１】
前記第１積層または前記第２積層が、さらに、前記第１開口または前記第２開口を連結する溝を含み、前記溝によって、前記液晶層の前記材料を前記第１開口または前記第２開口に伝送する請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項１２】
前記第１電極層、前記第１導電層、前記第２電極層、および前記第２導電層の材料が、透明導電材料である請求項１記載の液晶光学レンズ。
【請求項１３】
第１基板および第２基板を提供することと、
前記第１基板の上に第１電極層および複数の第１積層を順番に積み重ねて、第１素子基板を形成し、前記各第１積層が、前記第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および前記第１導電層と前記第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含むことと、
前記第２基板の上に第２電極層および複数の第２積層を順番に積み重ねて、第２素子基板を形成し、前記各第２積層が、前記第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および前記第２導電層と前記第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含むことと、
前記第１素子基板と前記第２素子基板を組み立てるとともに、前記第１素子基板と前記第２素子基板の間に液晶材料を注入して、液晶層を形成することと
を含む液晶光学レンズの製造方法。
【請求項１４】
前記第１基板の上に前記第１電極層および前記第１積層を積み重ねて、前記第１素子基板を形成することが、
（ａ）前記第１基板の上に前記第１電極層を形成することと、
（ｂ）前記第１電極層の上に絶縁材料層および導電材料層を順番に形成することと、
（ｃ）前記絶縁材料層および前記導電材料層をパターン化して、前記第１絶縁層および前記第１導電層を有する前記第１積層を形成することと、
ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行って、前記第１電極層の上に前記第１積層を積み重ねることと
を含み、前記各第１積層の前記第１開口が、前記第１基板から離れるにつれて大きくなる請求項１３記載の製造方法。
【請求項１５】
前記第２基板の上に前記第２電極層および前記第２積層を順番に積み重ねて、前記第２素子基板を形成することが、
（ａ）前記第２基板の上に前記第２電極層を形成することと、
（ｂ）前記第２電極層の上に絶縁材料層および導電材料層を順番に形成することと、
（ｃ）前記絶縁材料層および前記導電材料層をパターン化して、前記第２絶縁層および前記第２導電層を有する前記第２積層を形成することと、
ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行って、前記第２電極層の上に前記第２積層を積み重ねることと
を含み、前記各第２積層の前記第２開口が、前記第２基板から離れるにつれて大きくなる請求項１３記載の製造方法。
【請求項１６】
前記第１素子基板の上に第１配向方向を有する第１配向層を形成して、前記第１電極層および前記各第１積層の前記第１導電層を覆うことと、
前記第２素子基板の上に第２配向方向を有する第２配向層を形成して、前記第２電極層および前記各第２積層の前記第２導電層を覆うことと
をさらに含み、前記第２配向層が、前記第１配向方向と異なる請求項１３記載の製造方法。
【請求項１７】
液晶光学レンズの製造方法であって、
さらに前記第１積層または前記第２積層の上に溝を形成して、前記第１開口または前記第２開口を連結し、前記溝によって、前記液晶材料を前記第１開口または前記第２開口に伝送する請求項１３記載の製造方法。
【請求項１８】
正の屈折力を有し、物体側から像側に順番に配列された液晶光学レンズおよび補正レンズから構成された第１レンズ群と、
前記第１レンズ群と前記像側の間に配置され、負の屈折力を有する第２レンズ群と、
前記第２レンズ群と前記像側の間に配置され、正の屈折力を有する第３レンズ群と
を備え、前記第１レンズ群および前記第３レンズ群の位置が、前記レンズ装置に相対して固定され、前記第２レンズ群が、複数に区切られ且つ固定された距離をもって前記第１レンズ群と前記第３レンズ群の間で移動し、
前記液晶光学レンズが、
順番に積み重ねられた第１電極層および複数の第１積層を含み、前記各第１積層が、前記第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および前記第１導電層と前記第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含む第１素子基板と、
順番に積み重ねられた第２電極層および複数の第２積層を含み、且つ前記第１素子基板の反対側に配置され、前記各第２積層が、前記第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および前記第２導電層と前記第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含む第２素子基板と、
前記第１素子基板と前記第２素子基板の間に配置され、前記第１開口と前記第２開口の中に構成された液晶層とを有するレンズ装置。
【請求項１９】
前記第２レンズ群が、ズームレンズ群であり、前記第３レンズ群が、補正レンズ群である請求項１８記載のレンズ装置。
【請求項２０】
前記各第１積層の前記第１開口の幅が、前記第１素子基板から離れるにつれて大きくなり、前記各第２積層の前記第２開口の幅が、前記第２素子基板から離れるにつれて大きくなる請求項１８記載のレンズ装置。
【請求項２１】
前記第１積層の前記第１開口が、それぞれ前記第２積層の前記第２開口に対応する請求項１８記載のレンズ装置。
【請求項２２】
前記第１積層の前記第１開口および前記第２積層の前記第２開口が、円形の開口である請求項１８記載のレンズ装置。
【請求項２３】
第１配向方向を有するとともに、前記第１素子基板の上に配置されて、前記第１電極層および前記各第１積層の前記第１導電層を覆う第１配向層と、
第２配向方向を有するとともに、前記第２素子基板の上に配置されて、前記第２電極層および前記各第２積層の前記第２導電層を覆う第２配向層と
をさらに備えた請求項１８記載のレンズ装置。
【請求項２４】
前記物体側と前記第１レンズ群の間に配置された屈折レンズをさらに備え、前記屈折レンズによって、前記物体側からの物体光を屈折させて、前記第１レンズ群に伝送する請求項１８記載のレンズ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズおよびその製造方法に関するものであり、特に、屈折力を調節することのできる液晶光学レンズおよびその製造方法、ならびにこの液晶光学レンズを用いたレンズ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般のレンズシステムにおいて、レンズ装置が光学ズーム機能を有する場合、レンズ装置に内設された各レンズ群は、ズーム率の変化に応じて、それに対応する動作を生成させなければならない。従来の小型光学ズームレンズの機械設計は、通常、少なくとも２つの駆動装置を必要とする。つまり、駆動源として、少なくとも２つのステップモーター、超音波モーター、または圧電アクチュエーター等を必要とする。しかしながら、この方法では、ズームレンズが大きく複雑な構造になってしまうため、製品を小型化し、携帯性を持たせるという目標に反することになる。さらに、各レンズ群の相対動作は、位置センサー（position sensor）およびクローズループ制御器（close-loop controller）を必要とするため、簡単かつ低価格を求める消費者製品の要求にも反してしまう。
【０００３】
また、一般のレンズ装置に使用される焦点およびズーム構造は、レンズ群の駆動源（例えば、ステップモーター、超音波モーター、圧電アクチュエーター）として、コストの高い精密駆動装置を使用する他に、さらに、複数のマイクロギア、カム輪、タービン等の電動装置を使用するため、構造の枠組みがより複雑になる、組立工程がより困難で多工程になる、サイズがより大きくなる、コストがより高くなるといった問題だけでなく、消費電力が大幅に増加する問題も発生する。
【０００４】
したがって、これらの問題を軽減するため、上述したレンズ装置に構造の複雑性を減らし、大きさを最小限に抑えることのできるズーム調節可能な液晶レンズを用いることがますます重要になっている。以下に、関連する研究計画についていくつか説明する。
【０００５】
米国特許第７，０７９，２０３号（特許文献１）において、ポリマーネットワーク液晶（polymer network liquid crystal, PNLC）方式を利用して、レンズの光学機能を達成することが開示されているが、光学機能は、単一装置／モジュールで構成されたものではないため、実施上、困難であり、産業上利用が制限される。
【０００６】
また、米国特許第７，０４２，５４９号（特許文献２）において、ポリマー分散型液晶（polymer dispersed liquid crystal, PDLC）方式を利用して、液晶滴下（droplet）を用いてレンズ機能を提供することが開示されているが、レンズのスケーリングを行うモジュール構造については開示されていない。
【０００７】
米国特許第７，１０２，７０６号（特許文献３）において、ＰＮＬＣ中に液晶分子を配列させる方法が開示されているが、同様に、光学機能は、単一装置／モジュール構造ではないため、実施上、困難であり、産業上利用できない。
【０００８】
さらに、米国特許第６，８９８，０２１号（特許文献４）において、単一の調整式液晶レンズ（tunable LC lens）構造が開示されているが、ＰＮＬＣ型のレンズ機能については記載されておらず、また、ここで提供されている光学システムは、多重液晶レンズ構造ではない。
【０００９】
また、米国特許第６，８５９，３３３号（特許文献５）において、電場を変化させることで光路を改変させる液晶レンズの応用装置が開示されているが、ここで提供されている装置はモジュール構造ではないため、実施上、困難であり、産業上利用が制限される。
【００１０】
同様にして、米国特許第５，８６７，２３８号（特許文献６）、第５，９７６，４０５号（特許文献７）、第６，００２，３８３号（特許文献８）、第６，２１１，８９８号（特許文献９）、第６，４５２，６５０号（特許文献１０）、第６，４７６，８８７号（特許文献１１）、第６，４９７，９２８号（特許文献１２）、第６，６６５，０４２号（特許文献１３）、第６，８１５，０１６号（特許文献１４）、第６，８６４，９３１号（特許文献１５）、第６，８９７，９３６号（特許文献１６）、第７，０２９，７２８号（特許文献１７）、第７，０３４，９０７号（特許文献１８）、第７，０３８，７４３号（特許文献１９）および第７，０３８，７５４号（特許文献２０）において、液晶レンズを用いた様々な方法、特に、ＰＮＣＬ混合物と絞り構造について開示されているが、いずれもスケーリング装置やモジュール構造については開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，０７９，２０３号
【特許文献２】米国特許第７，０４２，５４９号
【特許文献３】米国特許第７，１０２，７０６号
【特許文献４】米国特許第６，８９８，０２１号
【特許文献５】米国特許第６，８５９，３３３号
【特許文献６】米国特許第５，８６７，２３８号
【特許文献７】米国特許第５，９７６，４０５号
【特許文献８】米国特許第６，００２，３８３号
【特許文献９】米国特許第６，２１１，８９８号
【特許文献１０】米国特許第６，４５２，６５０号
【特許文献１１】米国特許第６，４７６，８８７号
【特許文献１２】米国特許第６，４９７，９２８号
【特許文献１３】米国特許第６，６６５，０４２号
【特許文献１４】米国特許第６，８１５，０１６号
【特許文献１５】米国特許第６，８６４，９３１号
【特許文献１６】米国特許第６，８９７，９３６号
【特許文献１７】米国特許第７，０２９，７２８号
【特許文献１８】米国特許第７，０３４，９０７号
【特許文献１９】米国特許第７，０３８，７４３号
【特許文献２０】米国特許第７，０３８，７５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、内部の屈折率分布を電気的に制御および調節することによって、その屈折力を変化させる液晶光学レンズを提供する。
【００１３】
本発明は、また、上述した液晶光学レンズを製造することのできる液晶光学レンズの製造方法を提供する。
【００１４】
本発明は、さらに、上述した液晶光学レンズを使用し、より優れた光学性能を有するレンズ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、第１素子基板と、第２素子基板と、液晶層とを備えた液晶光学レンズを提供する。第１素子基板は、順番に積み重ねられた第１電極層および複数の第１積層を含む。各第１積層は、第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および第１導電層と第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含む。第２素子基板は、順番に積み重ねられた第２電極層および複数の第２積層を含む。さらに、第２素子基板は、第１素子基板の反対側に配置される。各第２積層は、第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および第２導電層と第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含む。液晶層は、第１素子基板と第２素子基板の間に配置され、第１開口と第２開口の中に構成される。
【００１６】
本発明の１つの実施形態中、各第１積層の第１開口の幅は、第１素子基板から離れるにつれて大きくなり、各第２積層の第２開口の幅は、第２素子基板から離れるにつれて大きくなる。
【００１７】
本発明の１つの実施形態中、第１積層の第１開口は、それぞれ第２積層の第２開口に対応する。
【００１８】
本発明の１つの実施形態中、第１積層の第１開口および第２積層の第２開口は、円形の開口である。
【００１９】
本発明の１つの実施形態中、液晶光学レンズは、さらに、第１配向層と、第２配向層とを含む。第１配向層は、第１配向方向を有するとともに、第１素子基板の上に配置されて、第１電極層および各第１積層の第１導電層を覆う。第２配向層は、第２配向方向を有するとともに、第２素子基板の上に配置されて、第２電極層および各第２積層の第２導電層を覆う。本発明の１つの実施形態中、第１配向方向が、第２配向方向に対して実質的に垂直である。
【００２０】
本発明の１つの実施形態中、液晶光学レンズは、さらに、第１配向層と第２配向層の間に配置されたシーラント（sealant）を含み、第１素子基板と第２素子基板をシールする。
【００２１】
本発明の１つの実施形態中、第１電極層および各第１積層の第１導電層は、第１電位に電気接続され、第２電極層および各第２積層の第２導電層は、第２電位に電気接続される。第１電位は、第２電位と異なる。
【００２２】
本発明の１つの実施形態中、第１電極層および第２電極層は、第１駆動信号源によって駆動され、それに対応して、各第１積層の第１導電層および各第２積層の第２導電層は、第２駆動信号源によって駆動される。
【００２３】
本発明の１つの実施形態中、液晶層の材料は、ポリマーネットワーク液晶（ＰＮＬＣ）を含む。
【００２４】
本発明の１つの実施形態中、第１積層または第２積層は、さらに、第１開口または第２開口を連結する溝（trench）を含み、この溝によって、液晶層の材料を第１開口または第２開口に伝送する。
【００２５】
本発明の１つの実施形態中、第１電極層、第１導電層、第２電極層、および第２導電層の材料は、透明導電材料である。
【００２６】
本発明は、また、下記のステップを含む液晶光学レンズの製造方法を提供する。まず、第１基板および第２基板を提供する。それから、第１基板の上に第１電極層および複数の第１積層を順番に積み重ねて、第１素子基板を形成する。各第１積層は、第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および第１導電層と第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含む。そして、第２基板の上に第２電極層および複数の第２積層を順番に積み重ねて、第２素子基板を形成する。各第２積層は、第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および第２導電層と第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含む。それから、第１素子基板と第２素子基板を組み立てるとともに、第１素子基板と第２素子基板の間に液晶材料を注入して、液晶層を形成する。
【００２７】
本発明の１つの実施形態中、第１基板の上に第１電極層および第１積層を順番に積み重ねて、第１素子基板を形成する方法は、以下のステップを含む。まず、ステップ（ａ）を行って、第１基板の上に第１電極層を形成する。それから、ステップ（ｂ）を行って、第１電極層の上に絶縁材料層および導電材料層を順番に形成する。そして、ステップ（ｃ）を行って、絶縁材料層および導電材料層をパターン化し、第１絶縁層および第１導電層を有する第１積層を形成する。それから、ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行って、第１電極層の上に複数の第１積層を積み重ねる。各第１積層の第１開口は、第１基板から離れるにつれて大きくなる。
【００２８】
本発明の１つの実施形態中、第２基板の上に第２電極層および第２積層を順番に積み重ねて、第２素子基板を形成する方法は、以下のステップを含む。まず、ステップ（ａ）を行って、第２基板の上に第２電極層を形成する。それから、ステップ（ｂ）を行って、第２電極層の上に絶縁材料層および導電材料層を順番に形成する。そして、ステップ（ｃ）を行って、絶縁材料層および導電材料層をパターン化し、第２絶縁層および第２導電層を有する第２積層を形成する。それから、ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し行って、第２電極層の上に複数の第２積層を積み重ねる。各第２積層の第２開口は、第２基板から離れるにつれて大きくなる。
【００２９】
本発明の１つの実施形態中、上述した液晶光学レンズの製造方法は、さらに、以下のステップを含む。まず、第１素子基板の上に第１配向層を形成して、第１電極層および各第１積層の第１導電層を覆う。第１配向層は、第１配向方向を有する。それから、第２配向層を第２素子基板の上に形成して、第２電極層および各第２積層の第２導電層を覆う。第２配向層は、第２配向方向を有し、第１配向方向と異なる。
【００３０】
本発明の１つの実施形態中、上述した液晶光学レンズの製造方法は、さらに、以下のステップを含む。第１積層または第２積層の上に溝を形成して、第１開口または第２開口を連結し、この溝によって、液晶層の材料を第１開口または第２開口に伝送する。
【００３１】
本発明は、さらに、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群とを備えたレンズ装置を提供する。第１レンズ群は、正の屈折力を有するとともに、物体側から像側に順番に配列された液晶光学レンズおよび補正レンズから構成される。第２レンズ群は、第１レンズ群と像側の間に配置され、負の屈折力を有する。第３レンズ群は、第２レンズ群と像側の間に配置され、正の屈折力を有する。第１レンズ群および第３レンズ群の位置は、レンズ装置に相対して固定され、第２レンズ群は、複数に区切られ且つ固定された距離をもって第１レンズ群と第３レンズ群の間で移動する。
【００３２】
本発明の１つの実施形態中、第２レンズ群は、ズームレンズ群であり、第３レンズ群は、補正レンズ群である。
【００３３】
本発明の１つの実施形態中、レンズ装置は、さらに、物体側と第１レンズ群の間に配置された屈折レンズを備える。この屈折レンズによって、物体側からの物体光を屈折させ、第１レンズ群に伝送する。
【００３４】
本発明の１つの実施形態中、液晶光学レンズは、第１素子基板と、第２素子基板と、液晶層とを備える。第１素子基板は、順番に積み重ねられた第１電極層および複数の第１積層を含む。各第１積層は、第１電極層を露出する第１開口を有するとともに、第１導電層および第１導電層と第１電極層の間に配置された第１絶縁層を含む。第２素子基板は、順番に積み重ねられた第２電極層および複数の第２積層を含む。さらに、第２素子基板は、第１素子基板の反対側に配置される。各第２積層は、第２電極層を露出する第２開口を有するとともに、第２導電層および第２導電層と第２電極層の間に配置された第２絶縁層を含む。液晶層は、第１素子基板と第２素子基板の間に配置され、第１開口と第２開口の中に構成される。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明の実施形態に係る液晶光学レンズの電極層および導電層は、主に、立体積み重ね設計を採用するとともに、導電層は、環状の形状を採用する。そのため、適切な電圧を各電極にそれぞれ印加した時、凹凸レンズに類似する光焦点／発散機能を得ることができる。つまり、優れた焦点機能を有するＧＲＩＮレンズ（gradient index lens）が形成される。さらに、本発明の実施形態は、上述した液晶光学レンズの製造方法を提供する。また、本発明の実施形態に係るレンズ装置は、上述した液晶光学レンズを採用する。レンズ装置は、優れた焦点機能を有するだけでなく、構造全体の複雑性やコストを下げることもできる。
【００３６】
本発明の上記及び他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズの概略的断面図である。
【図２Ａ】図１の第１素子基板を示した概略図である。
【図２Ｂ】図１の第２素子基板を示した概略図である。
【図３Ａ】共通の電圧源を共有する第１素子基板および第２素子基板を示した概略図である。
【図３Ｂ】複数の電圧源を共有する第１素子基板および第２素子基板を示した概略図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図４Ｄ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図４Ｅ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図４Ｆ】本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係るレンズ装置を示した概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るレンズ装置を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、本発明の実施形態に係る液晶光学レンズの概略的断面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、図１の第１素子基板および第２素子基板をそれぞれ示した概略図である。図面をわかりやすくするために、図２Ａおよび図２Ｂは、主に、電極層および導電層の一部を示す。そのため、存在し得る他のフィルム層については、省略する。図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、本実施形態において、液晶光学レンズ１０００は、第１素子基板１１００と、第２素子基板１２００と、液晶層１３００とを備える。
【００３９】
図１および図２Ａに示すように、第１素子基板１１００は、順番に積み重ねられた第1電極層１１２０および複数の第1積層１１４０を含む。各第１積層１１４０は、それぞれ第1電極層１１２０を露出する第1開口１１４０ａを有するとともに、第１導電層１１４２および第１導電層１１４２と第１電極層１１２０の間に配置された第１絶縁層１１４４を含む。本実施形態において、各第１積層１１４０の第１開口１１４０ａの幅Ｈ１は、第１素子基板１１００から離れるにつれて（すなわち、図１に示したＹ軸方向に向かって）大きくなる。さらに、図２Ａに示すように、第１積層１１４０の第１開口１１４０ａは、例えば、円形の開口である。別の実施形態において、第１開口１１４０ａの形状として、対称性を有する別のパターンを用いてもよい。上述した円形の開口は、単なる例として示しただけあるため、第１開口１１４０ａの形状は、これに限定されない。
【００４０】
また、図１および図２Ａに示すように、本実施形態では、第１積層１１４０の第１開口１１４０ａの形状が円形で、第１開口１１４０ａの幅Ｈ１が第１素子基板１１００から離れるにつれて大きくなる他に、第１開口１１４０ａの中心点を結ぶ線が第１素子基板１１００に対して実質的に垂直に配列される。つまり、第１積層１１４０は、第１素子基板１１００の上に互いに垂直に積み重ねられる。
【００４１】
本実施形態において、第１電極層１１２０および第１導電層１１４２の材料は、例えば、透明導電材料である。透明導電材料は、例えば、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、インジウムスズ亜鉛酸化物、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、アルミニウムスズ酸化物、アルミニウム亜鉛酸化物、カドニウムスズ酸化物、カドニウム亜鉛酸化物、他の適切な材料、またはその混合物である。また、第１絶縁層１１４４の材料は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、他の適切な材料、またはその混合物等の透明絶縁材料である。
【００４２】
引き続き図１および図２Ｂを参照すると、第２素子基板１２００は、第２電極層１２２０および複数の第２積層１２４０を含む。また、第２素子基板１２００は、第１素子基板１１００の反対側に配列される。各第２積層１２４０は、それぞれ第２電極層１２２０を露出する第２開口１２４０ａを有するとともに、第２導電層１２４２および第２導電層１２４２と第２電極１２２０の間に配置された第２絶縁層１２４４を含む。本実施形態において、各第２積層１２４０の第２開口１２４０ａの幅Ｈ２は、第２素子基板１２００から離れるにつれて（すなわち、図１に示したＹ軸方向に向かって）大きくなる。
【００４３】
同様にして、図２Ｂに示すように、第２積層１２４０の第２開口１２４０ａも、円形の開口であってもよい。別の実施形態において、第２開口１２４０ａの形状として、対称性を有する別のパターンを用いてもよい。上述した円形の開口は、単なる例として示しただけあるため、第２開口１２４０ａの形状は、これに限定されない。注意すべきこととして、一般的に、第１開口１１４０ａおよび第２開口１２４０ａは同じ形状を有し、第１開口１１４０ａは、それぞれ第２開口１２４０ａに対応するため、構造全体は対称的である。また、上述した対称的形状を本実施形態の液晶光学レンズ１０００の実際の操作に採用することによって、好適なパフォーマンスを達成することができる。しかしながら、上述した形状および配置方式は、単なる例として示しただけあるため、本発明はこれに限定されない。ユーザーの必要に応じて、調整可能である。
【００４４】
同様にして、図１および図２Ｂに示すように、本実施形態では、第２積層１２４０の第２開口１２４０ａの形状が円形で、第２開口１２４０ａの幅Ｈ２が第２素子基板１２００から離れるにつれて大きくなる他に、第２開口１２４０ａの中心点を結ぶ線が第２素子基板１２００に対して実質的に垂直に配列される。つまり、第２積層１２４０は、第２素子基板１２００の上に互いに垂直に積み重ねられる。また、本実施形態において、第２電極層１２２０および第２導電層１２４２は、例えば、前に説明した第１電極層１１２０および第１導電層１１４２の材料と同じ材料から構成される。さらに、第２絶縁層１２４４は、第１絶縁層１１４４と同じ材料から構成される。したがって、これらは前の説明を参照することができるため、ここでは、説明を省略する。
【００４５】
また、図１に示すように、液晶層１３００は、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間に配置され、第１開口１１４０ａと第２開口１２４０ａの中に構成される。本実施形態において、液晶層１３００の材料は、ポリマーネットワーク液晶（ＰＮＬＣ）であってもよいが、本発明のこの部分についてはユーザーによって決定されるため、本発明はこれに限定されない。さらに、図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、上述した第１積層１１４０または第２積層１２４０は、さらに、溝１６００を含む。本実施形態において、溝１６００は、第１開口１１４０ａまたは第２開口１２４０ａを連結するため、この溝１６００によって、上述した液晶層１３００の材料を第１開口１１４０ａまたは第２開口１２４０ａに伝送することができる。上述した溝１６００の必要性は、主に、液晶光学レンズ１０００がどのような方法で第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間に液晶層１３００を注入するかによって決定される。一般的には、液晶層１３００を注入する方法は、少なくとも真空注入法（vacuum injection method）または液晶滴下法（One Drop Filling (ODF) method）に分類される。しかしながら、これらの方法は、例として示しただけであり、本発明はこれらに限定されない。
【００４６】
本実施形態において、図１に示すように、液晶光学レンズ１０００は、さらに、第１配向層１４２０と、第２配向層１４４０とを含む。さらに詳しく説明すると、第１配向層１４２０は、第１配向方向を有するとともに、第１素子基板１１００の上に配置され、第１電極層１１２０および各第１積層１１４０の第１導電層１１４２を覆う。また、第２配向層１４４０は、第２配向方向を有するとともに、第２素子基板１２００の上に配置され、第２電極層１２２０および各第２積層１２４０の第２導電層１２４２を覆う。本実施形態において、図１に示すように、第１配向方向および第２配向方向は、実質的に互いに垂直であるため、液晶層１３００の液晶分子は、Ｙ軸方向に沿って第１配向層１４２０から第２配向層１４４０まで順番に回転して配列される。回転角は、図１に示すように、実質的に９０°である。
【００４７】
また、図１に示すように、液晶光学レンズ１０００は、さらに、シーラント１５００を含む。本実施形態において、シーラント１５００は、第１配向層１４２０と第２配向層１４４０の間に配置され、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００を接合する。一般的に、接着剤は、素子基板１１００または１２００のうちの少なくとも１つに配置され、素子基板１１００と１２００は並んで接合される。接着剤が固まると、上述したシーラント１５００が形成される。本実施形態において、シーラント１５００は、液晶ディスプレイ（liquid crystal display, LCD）パネルの実装に用いるプラスチックフレーミング技術、または他の適切なプラスチックフレーミング技術および材料によって形成される。上記説明は、例として示しただけであるため、本発明はこれらに限定されない。
【００４８】
上述した構造からわかるように、本実施形態における液晶光学レンズ１０００の電極層および導電層は、立体積み重ね設計を採用するとともに、導電層は、環状の形状を採用する。そのため、適切な電圧を各電極に印加した時、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間に構成された液晶分子のねじれ度合いを制御して、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間の屈折率分布を調節することができる。そのため、液晶光学レンズ１０００は、凹凸レンズに類似する光焦点／発散機能を有する。つまり、本実施形態の液晶光学レンズ１０００は、上述した構造を採用し、適切な駆動電圧を各導電層に補充することによって、ＧＲＩＮレンズを形成することができる。
【００４９】
各電極層および導電層に用いる実施方式をさらに説明するため、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、共通の電圧源を共有する第１素子基板および第２素子基板を示した概略図である。図３Ｂは、複数の電圧源を共有する第１素子基板および第２素子基板を示した概略図である。
【００５０】
まず、図１および図３Ａに示すように、第１電極層１１２０および各第１積層１１４０の第１導電層１１４２は、共通の第１電位に電気接続される。一方、第２電極層１２２０および各第２積層１２４０の第２導電層１２４２は、共通の第２電位に電気接続される。ここで、第１電位は、第２電位と同じではない。したがって、第１電極層１１２０と第２電極層１２２０に印加された電位の差は、各第１積層１１４０の第１導電層１１４２および対応する各第２積層１２４０の第２導電層１２４２に印加された電位の差に実質的に等しい。つまり、１つの電圧源Ｖｃのみを採用し、上述した電極層および導電層を並列に連結することによって、前に説明したＧＲＩＮレンズを形成する。
【００５１】
さらに詳しく説明すると、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０の電位の差は、各第１積層１１４０の第１導電層１１４２および対応する各第２積層１２４０の第２導電層１２４２に印加された電位の差に実質的に等しく、且つ図１に示すように、各電極層とそれに対応する導電層の間の距離は同じではないため、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間に配置された液晶分子のねじれ度合いも同じではない。この時、電圧源の電圧が適切に調節されると、上述したＧＲＩＮレンズを形成することができ、それによって、液晶光学レンズ１０００は、凹凸レンズに類似する調節可能な光焦点／発散機能を得ることができる。
【００５２】
また、図１および図３Ｂに示すように、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０は、第１駆動信号源Ｖｓ１によって駆動され、各第１積層１１４０の第１導電層１１４２および対応する各第２積層１２４０の第２導電層１２４２は、それぞれ第２駆動信号源Ｖｓ２〜Ｖｓ６によって駆動される。したがって、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０に印加された電位の差は、各第１積層１１４０の第１導電層１１４２および対応する各第２積層１２４０の第２導電層１２４２に印加された電位の差と等しくなくてもよい。そのため、複数の電圧源Ｖｓ１〜Ｖｓ６が上述した電極層および導電層にそれぞれ電気接続する設計を採用することによって、より柔軟性のある調節機構を得ることができ、それによって、上述したＧＲＩＮレンズを形成することができる。同様にして、電圧源Ｖｓ１〜Ｖｓ６の電圧を適切に調整してＧＲＩＮレンズを形成することによって、液晶光学レンズ１００は、凹凸レンズに類似する調節可能な光焦点／発散機能を得ることができる。
【００５３】
以下に、上述した液晶光学レンズ１０００の製造方法について説明する。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施形態に係る液晶光学レンズを製造するためのプロセスを示した概略図である。図４Ａを参照すると、まず、第１基板１１００ａおよび第２基板１２００ａを提供する。ここで、第１基板１１００ａおよび第２基板１２００ａは、例えば、ガラス基板等の透明基板である。
【００５５】
そして、図４Ｂに示すように、上述した第１電極層１１２０および第２電極層１２２０をそれぞれ第１基板１１００ａおよび第２基板１２００ａの上に形成する。本実施形態において、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０は、前に説明した材料を用いるため、ここでは詳しい説明を省略する。また、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０を形成する方法は、スパッタリング法（sputtering）、有機金属気相成長法（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）、蒸着法（evaporation）、またはその他の適切な製造プロセスでもよい。
【００５６】
次に、図４Ｃに示すように、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０の上に、絶縁材料層Ｐ１および導電材料層Ｐ２を順番に形成する。本実施形態において、絶縁材料層Ｐ１を形成する方法は、化学気相成長法（chemical vapor deposition）を用いるが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、他の適切な製造方法、例えば、スクリーン印刷、コーティング、インクジェット、エネルギー源プロセス等を使用してもよい。また、絶縁材料層Ｐ１は、上述した絶縁層１１４４および１２４４で既に説明した材料を用いることができるため、ここでは更なる説明を省略する。導電材料層Ｐ２は、上述した第１導電層１１２０および第２導電層１２２０で説明した材料を用いることができる。
【００５７】
そして、図４Ｄに示すように、第１基板１１００ａおよび第２基板１２００ａの上に形成された絶縁材料層Ｐ１および導電材料層Ｐ２をパターン化して、それぞれ上述した第１絶縁層１１４４と第１導電層１１４２を有する第１積層１１４０、および第２絶縁層１２４４と第２導電層１２４２を有する第２積層１２４０を形成する。本実施形態において、絶縁材料層Ｐ１および導電材料層Ｐ２をパターン化する方法は、例えば、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、ウェットエッチング、または他の適切な製造プロセスである。
【００５８】
それから、図４Ｅに示すように、図４Ｃおよび図４Ｄに示した製造プロセスを繰り返し行って、第１電極層１１２０および第２電極層１２２０の上に、それぞれ上述した第１積層１１４０および第２積層１２４０を積み重ねる。注意すべきこととして、各第１積層１１４０の第１開口１１４０ａは、第１基板１１００ａから離れるにつれて（図４ＥのＹ軸方向に向かって）大きくなり、第２積層１２４０の第２開口１２４０ａは、第２基板１２００ａから離れるにつれて（図４ＥのＹ軸方向に向かって）大きくなる。このステップまでで、上述した第１素子基板１１００および第２素子基板１２００の製造が実質的に完了する。
【００５９】
続いて、図４Ｆに示すように、第１素子基板１１００および第２素子基板１２００を組み立てるとともに、第１素子基板１１００と第２素子基板１２００の間に液晶分子を注入して、上述した液晶層１３００を形成する。本実施形態において、液晶層１３００を形成する方法は、少なくとも真空注入法またはＯＤＦ法を用いる。真空注入法を用いる場合、第１積層１１４０または第２積層１２４０の上に上述した溝１６００を形成して、第１開口１１４０ａまたは第２開口１２４０ａを連結し、それによって、この溝１６００から第１開口１１４０ａまたは第２開口１２４０ａに液晶層１３００の液晶材料を伝送することができる。しかしながら、単に例を説明しただけであり、本発明はこれに限定されない。また、上述した第１素子基板１１００および第２素子基板１２００を組み立てる方法は、前にシーラント１５００で説明した方法を採用することができる。したがって、前の説明を参照することができるため、ここでは更なる説明を省略する。
【００６０】
１つの実施形態において、図１に示すように、上述した第１配向層１４２０を第１素子基板１１００の上に形成して、第１電極層１１２０および各第１積層１１４０の第１導電層１１４２を覆うことができる。また、上述した第２配向層１４４０を第２素子基板１２００の上に形成して、第２電極層１２２０および各第２積層１２４０の第２導電層１２４２を覆うことができる。本実施形態において、第１配向層１４２０および第２配向層１４４０を形成する方法は、例えば、コーティングプロセスがある。それから、第１配向層１４２０および第２配向層１４４０がそれぞれ上述した第１配向方向および第２配向方向を得るように、第１配向層１４２０および第２配向層１４４０に対して配向プロセスを行う。このステップまでで、図１に示した液晶光学レンズの製造方法が実質的に完了する。
【００６１】
注意すべきこととして、図４Ａ〜図４Ｆは、図１に示した液晶光学レンズの製造方法を示しただけである。本分野において通常の知識を有する者であれば、開示した製造ステップまたは方法に多少の変更を加えて、本実施形態の液晶光学レンズ１０００を形成することができる（つまり、順番に電極層を形成してから上述した絶縁層を形成すること、および上述した導電層を形成してから絶縁層および導電層を形成するステップを繰り返し行うこと）。ただし、これらの変更は、本発明の保護範囲内であるものとする。
【００６２】
また、図５は、本発明の別の実施形態に係るレンズ装置を示した概略図である。図５を参照すると、本実施形態に係るレンズ装置５０００は、第１レンズ群５１００と、第２レンズ群５２００と、第３レンズ群５３００とを備える。第１レンズ群５１００は、正の屈折力を有し、物体側から像側に順番に配列された液晶光学レンズ５１２０および補正レンズ５１４０によって形成される。
【００６３】
本実施形態において、液晶光学レンズ５１２０は、例えば、上述した液晶光学レンズ１０００である。そのため、電圧によって液晶光学レンズ５１２０の内部の屈折率分布を調節および制御することができ、それによって、液晶光学レンズ５１２０の焦点距離を調節することができるため、液晶光学レンズ５１２０は焦点機能を有する。本実施形態において、補正レンズ５１４０は、例えば、凹凸レンズであるが、本発明はこれに限定されない。主に、補正レンズ５１４０を用いて、液晶光学レンズ５１２０の焦点距離を補正するため、レンズ装置５０００は、優れたフォーカス品質を有する。
【００６４】
引き続き図５を参照すると、第２レンズ群５２００は、負の屈折力を有し、第１レンズ群５１００と像側の間に配置される。第３レンズ群５３００は、正の屈折力を有し、第２レンズ群５２００と像側の間に配置される。本実施形態において、第２レンズ群５２００は、ズームレンズ群であり、主に、複数に区切られ且つ固定された距離をもって第１レンズ群５１００と第３レンズ群５３００の間で移動して、レンズ装置５０００のズーム機能を達成する。また、第１レンズ群５１００と第３レンズ群５３００の位置は、レンズ装置５０００に相対して固定される。第３レンズ群５３００は、画像形成の間にレンズ装置５０００の光学品質を補正するための補正レンズ群である。
【００６５】
本実施形態において、レンズ装置５０００の第１レンズ群５１００は、主に、液晶光学レンズ５１２０を使用して、焦点機能を行い、液晶光学レンズ５１２０は、単純な電圧制御プロセスによって、焦点機能を達成することができる。そのため、従来は、焦点機能を達成するために複数のレンズと複数のアクチュエーターを組み合わせる必要があったが、本実施形態のレンズ装置５０００は、そのような機械構造の複雑性を減らすことが可能となる。また、レンズ装置５０００のズーム機能を達成するために、第２レンズ群５２００は、主に、区切られ且つ固定された距離をもって第１レンズ群５１００と第３レンズ群５３００の間で移動する。そのため、ズーム機能を達成するために位置センサーおよびクローズループ制御器を使用する必要がない。さらに、エネルギーを節約して、コストを下げることができるとともに、さらに、機械の複雑性を減らすこともできる。
【００６６】
また、図５に示したレンズ装置は、直立設計を採用する。別の実施形態において、図５のレンズ装置と屈折レンズを組み合わせることによって、図６に示すようなレンズ装置５０００ａを形成してもよい。図６は、本発明の別の実施形態に係るレンズ装置を示した概略図である。
【００６７】
図５および図６を同時に参照すると、レンズ装置５０００ａは、レンズ装置５０００に類似する。これら２つの間の相違点は、レンズ装置５０００ａが、さらに、物体側と第１レンズ群５１００の間に配置された屈折レンズ５４００を備えることである。図６に示すように、物体側からの物体光Ｌ１は、屈折レンズ５４００によって屈折し、第１レンズ５１００に伝送される。
【００６８】
さらに詳しく説明すると、レンズ装置５０００ａ内に配置された屈折レンズ５４００によって、物体光Ｌ１を屈折させて、第１レンズ群５１００に伝送した後、像側に順番に伝送して、画像が形成される。つまり、レンズ装置５０００ａは、別の角度の光を受け取ることができる。例えば、物体光を９０°屈折させた後、像側に伝送して、画像を形成することによって、潜望式のレンズ装置５０００ａが形成される。
【００６９】
また、レンズ装置５０００ａとレンズ装置５０００は類似するため、レンズ装置５０００ａは、上述したレンズ装置５０００で既に説明した利点を有する。したがって、ここでは説明を省略する。
【００７０】
以上のように、本発明の液晶光学レンズの電極層および導電層は、主に、立体積重ね設計を採用するとともに、導電層は、環状の形状を採用する。そのため、適切な電圧を各電極にそれぞれ印加した時、第１素子基板と第２素子基板の間に構成された液晶分子のねじれ度合いを制御することができ、その結果、凹凸レンズに類似する光焦点／発散機能を得ることができる。
【００７１】
つまり、本発明の液晶光学レンズは、上述した構造を採用し、各導電層に適切な駆動電圧を補充することによって、優れた焦点機能を備えたＧＲＩＮレンズを形成することができる。また、本発明は、上述した液晶光学レンズの製造方法を提供する。
【００７２】
また、本発明のレンズ装置は、上述した液晶光学レンズを採用する。このレンズ装置は、優れた焦点機能を有するだけでなく、全体の構造の複雑性やコストを下げることもできる。
【００７３】
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【符号の説明】
【００７４】
１０００  液晶光学レンズ
１１００  第１素子基板
１１００ａ  第１基板
１１２０  第１電極層
１１４０  第１積層
１１４０ａ  第１開口
１１４２  第１導電層
１１４４  第１絶縁層
１２００  第２素子基板
１２００ａ  第２基板
１２２０  第２電極層
１２４０  第２積層
１２４０ａ  第２開口
１２４２  第２導電層
１２４４  第２絶縁層
１３００  液晶層
１４２０  第１配向層
１４４０  第２配向層
１５００  シーラント
１６００  溝
５０００、５０００ａ  レンズ装置
５１００  第１レンズ群
５１２０  液晶光学レンズ
５１４０  補正レンズ
５２００  第２レンズ群
５３００  第３レンズ群
５４００  屈折レンズ
Ｐ１  絶縁材料層
Ｐ２  導電材料層
Ｖｃ  電圧源
Ｖｃ１〜Ｖｃ６  駆動信号源
Ｈ１、Ｈ２  幅
Ｌ１  物体光
【図１】
0005455853.tif 000002
【図２Ａ】
0005455853.tif 000003
【図２Ｂ】
0005455853.tif 000004
【図３Ａ】
0005455853.tif 000005
【図３Ｂ】
0005455853.tif 000006
【図４Ａ】
0005455853.tif 000007
【図４Ｂ】
0005455853.tif 000008
【図４Ｃ】
0005455853.tif 000009
【図４Ｄ】
0005455853.tif 000010
【図４Ｅ】
0005455853.tif 000011
【図４Ｆ】
0005455853.tif 000012
【図５】
0005455853.tif 000013
【図６】
0005455853.tif 000014